The sympathetic nervous system is vital in maintaining homeostasis and responding to environmental changes 1–3 . This regulation is coordinated by the spinal sympathetic preganglionic neurons (SPNs), which influence various organs both through neuronal pathways via postganglionic neurons and through endocrine processes by innervating the adrenal gland. Despite decades of research supporting the concept of selective control within this system 1,4–9 , the neural circuit organization responsible for the specificity of sympathetic outflow remains poorly understood. Notably, classical anatomical studies in rats have not revealed a definitive molecular code governing SPNs, nor have they confirmed the existence of SPNs strictly corresponding to specific output targets 1,6,10,11 . To reconcile this discrepancy, we aim to integrate recent transcriptome data of SPNs 12,13 in mice with viral-genetic toolkits 14 to map axonal projections and manipulate the functions of SPNs governing the gastrointestinal tract and adrenal gland. Here, we have identified two subtypes of SPNs in the lower thoracic spinal cord, defined at the molecular level, exhibiting non-overlapping patterns of innervation. Chemogenetic manipulations on these distinct SPN subtypes revealed selective impacts on the digestive functions in the gastrointestinal tracts or glucose metabolism mediated by the adrenal gland, respectively. This molecularly delineated parallel labeled-line organization in sympathetic outflows presents a potential avenue for selectively manipulating organ functions.

Summary Maternal behaviours, which are crucial for the survival of mammalian infants 1 , can be learned 2,3 . How the efficient acquisition of these behaviours is implemented at the neural circuitry level remains poorly understood. Although prevalent models of neural circuits for parental behaviours often assume the frontal cortical network as an integrator of infant-related sensory signals and a controller of decision-making and motivation 1,4 , these ideas have not been functionally tested. As such, detailed input/output neural circuit organizations of the frontal cortex in relation to parental behaviours remain unknown. Here we show that the orbitofrontal cortex (OFC) promotes efficient learning of maternal behaviours in virgin female mice when they are co-housed with lactating mothers. Chronic microendoscopy in freely behaving animals reveals robust representations of pup-directed anticipatory activities and ongoing sequential motions of pup retrieval that are innately sculpted and largely unaffected by learning. Through viral tracing and manipulations, we functionally identify the submedius thalamus as a prominent presynaptic partner of the OFC that shapes pup-related representations. Optogenetic inactivation of OFC reduces the pup retrieval-related activities of midbrain dopamine neurons 5,6 that promote maternal behaviours. Collectively, these findings reveal a higher-order cognitive network that connects innately formed, pup-related integrated representation to the top-down control of motivation centers, thus enabling efficient maternal behavioural learning.

Abstract The transition to parenthood brings significant changes in behavior toward offspring. For instance, in anticipation of their offspring, male mice shift from infanticidal to caregiving behaviors. While the release of oxytocin from the paraventricular hypothalamus (PVH) plays a critical role in paternal caregiving, it does not fully account for the entire behavioral shift. The specific downstream neurons and signaling mechanisms involved in this process remain obscure. Here, we demonstrate that PVH vasopressin neurons also essentially contribute to a paternal behavioral shift. This vasopressin signal is partially transmitted through oxytocin receptors (OTRs) expressed in the anterior commissure and medial nuclei of the preoptic area. These OTR-expressing neurons receive inputs from both PVH oxytocin and vasopressin neurons and are responsible for expressing paternal caregiving behaviors. Collectively, this non-canonical vasopressin-to-OTR crosstalk within specific limbic circuits acts as a pivotal regulator of paternal behavioral changes in mice. Highlights PVH vasopressin neurons are required for and can trigger paternal caregiving behaviors. Vasopressin-induced paternal behaviors are mediated in part by OTRs in the preoptic area (POA). POA OTR neurons receive inputs from both PVH oxytocin and vasopressin neurons. POA OTR neurons play a critical and facilitative role in promoting paternal caregiving behaviors.

Selective vulnerability offers a conceptual framework for understanding neurodegenerative disorders, such as Parkinson9s disease, where specific neuronal types are selectively affected while adjacent ones are spared. The applicability of this framework to neurodevelopmental disorders remains uncertain, particularly those characterized by atypical social behaviors such as autism spectrum disorder. Here, employing a single-cell transcriptome analysis in mice, we show that an embryonic disturbance known to induce social dysfunction preferentially impairs gene expressions crucial for neural functions in parvocellular oxytocin (OT) neurons, a subtype linked to social rewards, while neighboring cell types experience a lesser impact. Chemogenetic stimulation of OT neurons at the neonatal stage ameliorated social deficits in early adulthood, concurrent with a cell-type-specific sustained recovery of the pivotal gene expressions within parvocellular OT neurons. Collectively, our data shed light on the transcriptomic selective vulnerability within the hypothalamic social behavioral center and provide a potential therapeutic target through specific neonatal neurostimulation.

Reproduction poses a substantial burden, especially for mammalian females. Puberty onset serves as a vital checkpoint, regulated based on the body9s energy state, to prevent inappropriate reproductive activity under malnutrition. However, the neural basis of this puberty checkpoint remains poorly understood. Here, we demonstrate that peripubertal malnutrition in female mice reduces the synchronous activity episodes of arcuate kisspeptin neurons (SEskiss), which are critical regulators of the gonadotropin axis. Improved dietary availability boosts SEskiss frequency, facilitating puberty onset. Using a viral-genetic approach, we show that the activating agouti-related protein neurons in the arcuate nucleus (ARCAgrp neurons), a hunger center, suppresses SEskiss, even with enough food. Conversely, loss-of-function of ARCAgrp neurons enhances SEskiss during malnutrition, partly promoting irregular sexual maturation. Collectively, a neural circuit connecting feeding to reproductive centers is responsible for disinhibiting SEskiss frequency based on dietary availability, which sheds light on the neural basis of puberty checkpoint.